8ordm CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco 23 al 25 de Octubre de 2007

ESTUDIO EXPERIMENTAL SOBRE PATRONES DE FLUJO LIQUIDO-LIQUIDO EN TUBERIAS VERTICALES

Saacutenchez E Romero C Zeppieri S y Gonzaacutelez-Mendizabal D

Grupo G10 Departamento de Termodinaacutemica y Fenoacutemenos de Transferencia Universidad Simoacuten Boliacutevar Apartado

Postal 89000 Caracas 1080 A Venezuela e-mail dosindausbve zeppieriusbve

RESUMEN En este trabajo se determinoacute experimentalmente la retencioacuten de agua y se observaron los patrones de flujo en un sistema bifaacutesico liacutequido-liacutequido en tuberiacuteas verticales e inclinadas los fluidos de trabajo fueron aceite (densidad 867plusmn2 kgm3 a 21ordmC y viscosidad de 01310plusmn00001 Pas a 23ordmC) y agua Se trabajoacute con una tuberiacutea acriacutelica de 003175m de diaacutemetro interno Mediante una caacutemara de alta velocidad se observaron los patrones de flujo para una tuberiacutea a 90ordm y 45ordm A partir de estas observaciones se elaboraron mapas de patrones de flujo y se compararon con los reportados en la literatura El holdup se midioacute mediante el meacutetodo de cierre simultaacuteneo de vaacutelvulas Para el caso de 90ordm como 45ordm se obtuvo el comportamiento esperado el holdup de agua aumento al aumentar Usw manteniendo Uso constante Se evaluoacute la correlacioacuten obtenida por Hasan y Kabir (1988) para estimar holdup con buenos resultados pues el error relativo promedio de los valores de la correlacioacuten con respecto a los experimentales fueron de 6 para flujo vertical y de un 2 para flujo inclinado por lo que se recomienda para predecir holdup en flujo bifaacutesico agua-aceite a condiciones de operacioacuten similares a las de este trabajo PALABRAS CLAVE Flujo bifaacutesico liacutequido-liacutequido visualizacioacuten patrones de flujo holdup

INTRODUCCIOacuteN El flujo bifaacutesico liacutequido-liacutequido estaacute presente en una gran variedad de industrias quiacutemica nuclear de procesamiento petroquiacutemica y en especial en la industria petrolera Cuando el crudo es transportado desde el yacimiento hasta los cabezales de produccioacuten y posteriormente a las estaciones de flujo y de descarga eacuteste va acompantildeado de otros fluidos como agua gas natural y sedimentos soacutelidos formando distintas configuraciones geomeacutetricas en la tuberiacutea definidas como patrones de flujo Existen diferentes tipos de flujo multifaacutesico para la industria petrolera los maacutes relevantes son gas-liacutequido liacutequido-liacutequido liacutequido-soacutelido gas-soacutelido gas-liquido-soacutelido y gas-liquido-liacutequido

El flujo gas-liacutequido es el que ha sido estudiado maacutes extensamente a pesar de la gran importancia que tiene el transporte liacutequido-liacutequido ya que se ha estimado que el 80 de las fallas ocurridas en los sistemas de produccioacuten y transporte de petroacuteleo son causados por corrosioacuten interna elevando asiacute los costos de reemplazo de tuberiacuteas Los hidrocarburos liacutequidos que se transportan mediante tuberiacuteas frecuentemente contienen agua libre y la presencia de este fluido puede provocar corrosioacuten severa en las paredes de la tuberiacutea

El fenoacutemeno de corrosioacuten interna depende de la configuracioacuten geomeacutetrica del flujo de los dos liacutequidos Las inspecciones ultrasoacutenicas de oleoductos [1] revelan que la corrosioacuten maacutes severa se presenta en tuberiacuteas en las que una baja velocidad de flujo ocasiona segregacioacuten de fases Por lo tanto la determinacioacuten del patroacuten de flujo es una consideracioacuten importante en la evaluacioacuten del riesgo de la corrosioacuten en oleoductos Adicionalmente muchas de las variables de disentildeo como la caiacuteda de presioacuten el holdup y el coeficiente de transferencia de masa y calor dependen del patroacuten de flujo existente

En el caso del flujo liacutequido-liacutequido auacuten no se ha llegado a una unificacioacuten de criterios en cuanto a los patrones de flujo desarrollados y sus transiciones La principal causa de esto es la similitud entre las propiedades de los dos fluidos existiendo un diferencial finito de densidad y viscosidad entre siacute por lo que no puede ser despreciada una variable frente a otra como en el caso gas-liacutequido Por tal motivo no es evidente cual de las fases se mueve maacutes raacutepido en un flujo estratificado o bien cual es el fluido maacutes propenso a formar una gota o a coalescer hacieacutendose necesario considerar factores adicionales

Cada autor de acuerdo a su apreciacioacuten ha propuesto patrones de flujo distintos Oglesby 1979 reportoacute catorce patrones de flujo diferentes mientras que otros como Russell et al y Malinowsky describen soacutelo tres o cuatro [2] Govier et al [3] publicaron uno de los primeros trabajos en esta aacuterea Empleando un aceite de viscosidad 00201Pas en un intervalo de Usw y Uso de 0003 ms hasta 3048 ms encontraron los patrones de flujo burbuja tapoacuten espuma rizado (o semianular) peliacutecula (o anular) niebla

Zavareh et al [4] desarrollaron un trabajo experimental empleando una tuberiacutea de 128 m de largo y diaacutemetro de 1842 m para un intervalo de Uso entre 005 ms y 05 ms y Usw entre 002 ms y 06 ms obteniendo 4 patrones de flujo diferentes burbuja burbuja disperso burbuja invertido y burbuja disperso invertido (Fig 1)

Fig 1 Patrones de flujo observados por Zavareh et al [4]

Con la tuberiacutea vertical todos los regiacutemenes de flujo pueden ser clasificados como flujo burbuja en el cual las

burbujas de aceite relativamente grandes son arrastradas por el agua que se presenta aquiacute como la fase continua El flujo burbuja disperso consiste en burbujas muy finas o pequentildeas de aceite que estaacuten dispersas en el agua en tanto que el flujo burbuja invertido las gotas grandes de agua son arrastradas por un flujo de aceite que en este patroacuten es

la fase continua y finalmente el flujo burbuja disperso invertido es aquel donde gotas muy pequentildeas de agua se encuentran dispersas en el flujo de aceite

Maacutes recientemente Flores et al [5] publicaron un trabajo muy completo en esta aacuterea Emplearon fluidos con una relacioacuten ρoρw = 085 microomicrow = 20 y tensioacuten interfacial de 0029 Nm en una tuberiacutea de 155 m de longitud y 00508 m de diaacutemetro Los patrones de flujo encontrados estaacuten clasificados en dos categoriacuteas principales flujo segregado y flujo disperso (Fig 2)

El flujo segregado estaacute caracterizado por la continuidad en direccioacuten axial de las dos fases mientras que en flujo disperso la continuidad ha sido interrumpida en cualquiera de las dos fases Los patrones de flujo identificados fueron i) dominados por agua dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y aceite en flujo agitado de agua (ow CF) y ii) dominados por aceite agua en flujo agitado de aceite (wo CF) dispersioacuten de agua en aceite (D wo) y dispersioacuten muy fina de agua en aceite (VFD wo)

Figura 2 Patrones de flujo verticales propuestos por Flores et al [5]

Bannwart et al [6] realizaron un trabajo experimental con la finalidad de estudiar los patrones de flujo en tuberiacuteas

empleando agua y crudo de alta viscosidad 0488 Pas en una tuberiacutea de 543 m de longitud y 00284 m de diaacutemetro Los patrones de flujo los clasificaron por analogiacutea con patrones gas-liacutequido empleando una letra que denota el patroacuten principal una segunda letra que indica un subnivel y tambieacuten una tercera si es necesaria una mejor denominacioacuten En la Fig 3 se incluyen las fotografiacuteas de algunos de ellos

Figura 3 Patrones de flujo en tuberiacuteas verticales observados por Bannwart et al [6]

En la literatura los patrones se reportan a traveacutes de los llamados mapas de patrones de flujo los cuales son la

representacioacuten bidimensional en un sistema cartesiano de los regiacutemenes de flujo La gran mayoriacutea de los mapas son experimentales y la transicioacuten de un reacutegimen de flujo a otro lo determina el autor de manera subjetiva de acuerdo a la visualizacioacuten que haya hecho de los mismos

El comportamiento del flujo bifaacutesico depende de las propiedades fiacutesicas de cada fluido (viscosidad densidad tensioacuten interfacial) y de las condiciones de operacioacuten (holdup velocidades superficiales diaacutemetro e inclinacioacuten de la tuberiacutea) por tal motivo cada mapa de flujo seraacute vaacutelido para las condiciones de operacioacuten y los fluidos utilizados para su generacioacuten De esta manera si se desea hacer un estudio ya sea de disentildeo o de evaluacioacuten en un sistema de

produccioacuten habriacutea que realizar experimentos con los fluidos y las condiciones de operacioacuten deseadas Por esta razoacuten surgioacute la necesidad de predecir el comportamiento del flujo bifaacutesico sin tener que realizar pruebas experimentales para cada par de fluidos o condiciones de operacioacuten Asiacute nacieron las aproximaciones empiacutericas [7] las que si bien son sencillas de usar presentan el inconveniente de que no explican el fenoacutemeno fiacutesico del flujo en dos fases La otra gran desventaja es que su uso estaacute limitado a condiciones similares para las que fueron desarrolladas fuera de ellas las desviaciones en los valores predichos aumentan significativamente

Debido a las limitaciones mencionadas surgioacute una nueva aproximacioacuten por modelos mecaniacutesticos En eacutestos se pretende aclarar el fenoacutemeno fiacutesico modelando matemaacuteticamente el mecanismo que causa el flujo bifaacutesico El primer objetivo de esta aproximacioacuten es predecir el reacutegimen de flujo existente en un sistema dado para luego desarrollar un modelo separado para cada patroacuten de flujo con el fin de predecir su hidrodinaacutemica yo transferencia de calor

El modelo mecaniacutestico desarrollado por Trallero [7] y posteriormente modificado por Trallero et al [8] es el maacutes utilizado actualmente para predecir la transicioacuten entre los patrones de flujo en tuberiacuteas horizontales o ligeramente inclinadas Este modelo se basa en un anaacutelisis de estabilidad para las transiciones entre los patrones segregados y una comparacioacuten entre las fuerzas gravitacionales o de flotacioacuten con las fuerzas de arrastre para las transiciones entre los flujos dispersos Para realizar estos caacutelculos se necesita conocer variables como las velocidades superficiales y el holdup de cada fase el diaacutemetro de las gotas entre otras Sin embargo muchas veces no se dispone de correlaciones precisas para su estimacioacuten por lo que se requieren sistemas que permitan determinarlas experimentalmente

Para el caso de flujo vertical la informacioacuten es maacutes escasa razoacuten por la cual en este trabajo se determinaraacuten los patrones de flujo y la retencioacuten de fases para el sistema agua-aceite

PARTE EXPERIMENTAL

El equipo utilizado consiste en una tuberiacutea de acriacutelico en forma de ldquoUrdquo de 83 m de largo y de 125 in de diaacutemetro

interno soportada por una estructura metaacutelica que puede rotar de 0 a 90deg (Fig 4)

Fig 4 Sistema experimental [10]

El sistema de alimentacioacuten de los fluidos consta de 3 liacuteneas principales una para la fase gaseosa (aire) y otras 2 para las fases liacutequidas (una para fluidos acuosos y otra para aceites) Cada liacutenea de liacutequido cuenta con una bomba de desplazamiento positivo con una potencia maacutexima de 55 kW mientras que el aire es proporcionado por un compresor capaz de mantener la presioacuten en 100 psig Para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico de gas se utiliza un rotaacutemetro de 2 a 20 pie3min y un medidor tipo VORTEX con un intervalo de medicioacuten de 0 a 2278 Ls Para las liacuteneas de liacutequido se utiliza un rotaacutemetro de 0 a 10 galmin para la liacutenea de liacutequidos acuosos y un rotaacutemetro de 1 a 10

galmin para la liacutenea de los aceites Ambas liacuteneas de liacutequido cuentan con un medidor tipo VORTEX de 0 a 1333 Ls Una vez que los fluidos pasan por la tuberiacutea de prueba llegan a la seccioacuten de separacioacuten Esta estaacute conformada por dos tanques de 500 L de capacidad donde se deja que la mezcla agua-aceite se separe por gravedad antes de retornar el aceite al tanque de alimentacioacuten respectivo

Una vez seleccionados los caudales de ambas fases y el aacutengulo de inclinacioacuten de la tuberiacutea se inicia la prueba esperando unos dos minutos hasta alcanzar condiciones estacionarias El patroacuten de flujo se observa directamente a traveacutes de las paredes de la tuberiacutea y se graba con la caacutemara de alta velocidad a traveacutes de la celda visualizacioacuten ubicada a una distancia LD de 200 medida desde el punto de mezcla de las fluidos con el fin de almacenar la informacioacuten para anaacutelisis posteriores Para determinar el holdup de liacutequido se acciona el interruptor On-Off que permite aislar la parte del flujo en donde se van a realizar las mediciones Posteriormente se espera a que la mezcla bifaacutesica se separe en sus fases y se procede a medir la altura de liacutequido Se repite el procedimiento para la determinacioacuten del holdup hasta que la desviacioacuten entre una medicioacuten y el promedio de las anteriores sea menor al 3 Posteriormente se procede a fijar otra combinacioacuten de caudales y se repite el mismo procedimiento

En la Tabla 1 se muestran las propiedades fiacutesicas de los fluidos usados en este trabajo

Tabla 1 Propiedades de los fluidos utilizados

ρ

(kgm3) micro(Pas) σ (Nm) Aceite 867plusmn2 01310 Agua 997538 0000941 00297plusmn0009

RESULTADOS Y DISCUSION

Variando los caudales de ambas fases se realizoacute un total 106 experimentos Los patrones de flujo observados

fueron cuatro de los cuales tres son dominados por la fase acuosa (Intermitente o tapoacuten dispersioacuten de aceite en agua Dow y dispersioacuten muy fina de aceite en agua VFDow) y el restante posee dos fases continuas (anular)

La base de los patrones de flujo es bastante similar al caso gas-liacutequido en tuberiacuteas verticales A bajos flujos de aceite y moderados flujos de agua el patroacuten de flujo consiste en gotas de aceite en agua Pero a altos flujos de agua se observa dispersioacuten de aceite en agua El flujo intermitente consiste de una serie de gotas de aceite en forma de campana muy similar al flujo gas-liacutequido El flujo anular consiste en un cilindro de aceite rodeado por un anillo de agua Cada uno de estos patrones base puede aparecer con una dispersioacuten de pequentildeas gotas de aceite en agua causando patrones de flujo combinados [6] En todos los casos se observoacute que las transiciones de un patroacuten de flujo a otro ocurren de forma continua y no abrupta

En las Figuras 6 (a) y (b) se pueden apreciar los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua tapoacuten y anular El patroacuten de flujo dispersioacuten de agua en aceite presenta burbujas de aceite grandes separadas entre siacute por una distancia considerable y no presenta dispersioacuten muy fina de aceite entre las mismas El flujo intermitente o tapoacuten (Fig 7 (a)) consiste en una burbuja larga de aceite en forma de bala en su extremo superior sin embargo hacia su parte intermedia presenta una interfase ondulada hasta que llega la cola donde culmina con una forma irregular El espacio comprendido entre un tapoacuten y otro suele estar ocupado por burbujas de aceite pequentildeas Es posible ver dos tapones seguidos sin la presencia de burbujas de aceite entre uno y otro En el anular se observa una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea cubierta por un aacutenulo de agua donde la interfase del aceite es ondulada por lo que el diaacutemetro de la columna de aceite no es constante

En la Figura 6 (a) para una Usw=024ms y Uso=002ms se aprecia un patroacuten de flujo de burbuja dispersa (A) Si se aumenta el caudal de aceite estas gotas comienzan a coalescer adquiriendo la forma de campana caracteriacutestica del flujo intermitente (B C) presentaacutendose la transicioacuten entre estos dos patrones Al seguir aumentando la velocidad de aceite se observan tapones de forma similar a los mostrados en la Fig 8 pero que difieren en longitud y cantidad de gotas asociadas a la cola del mismo

En la Figura 6 (b) se observa la transicioacuten entre el patroacuten de flujo tapoacuten y el anular Este uacuteltimo muy similar al encontrado por Bannwart et al [6] y que denominoacute Anular Ondulado Distorsionado + Burbuja Dispersa (AODBD) que se muestra en la Fig 4

En liacuteneas generales las transiciones que se observan en las Figs 6 (a) y (b) son bastante claras y la tendencia es que al ir aumentando Uso manteniendo Usw constante las burbujas de aceite coalescen y forman tapones Al aumentar maacutes Uso los tapones van aumentando su tamantildeo hasta que finalmente forman una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea rodeado por la fase acuosa

En la Fig 7 (b) se muestran los patrones de flujo obtenidos manteniendo la velocidad superficial de aceite constante Uso=002ms y variando la de agua Para Usw de 029ms (A) y 032ms (B) se aprecian burbujas de aceite grandes con forma de tapoacuten antecedidas y precedidas por burbujas de aceite de menor tamantildeo A medida que se

incrementa la velocidad superficial del agua pasando por 035ms (C) 038ms (D) y 041ms (E) se observa una mayor turbulencia provocando que aumente la frecuencia de aparicioacuten en los tapones llegando en algunos casos a chocar entre siacute lo que conlleva a su colapso y separacioacuten en gotas de aceite maacutes pequentildeas dando paso al patroacuten de flujo de gotas dispersas provocaacutendose asiacute la transicioacuten intermitente-gotas dispersas

(a) (b) Fig 6 (a) Transicioacuten dispersioacuten de aceite en agua a intermitente o tapoacuten Usw=024ms Uso (A) 002ms (B)

005ms (C) 008ms (D) 013ms y (E) 018ms (b) Transicioacuten intermitente anular Usw=024ms Uso (A) 023ms (B) 029ms (C) 034ms y (D) 039ms

(a) (b) Fig 7 (a) Patroacuten de flujo intermitente o tapoacuten Uso=002ms Usw (A) 010ms (B) 013ms (C) 016ms (D)

021ms y (E) 024ms (b) Transicioacuten intermitente dispersioacuten de aceite en agua Uso=002ms Usw (A) 029ms (B) 032ms (C) 035ms (D) 038ms y (E) 041ms

Todos los valores experimentales de patrones de flujo fueron graficados en funcioacuten de las velocidades superficiales de ambas fases obtenieacutendose el mapa de patrones presentado en la Fig 8(a) El intervalo de velocidades superficiales con que se trabajoacute corresponde a 002 ms lt Uso lt 039 ms y 016 ms lt Usw lt 072 ms Como se aprecia en la Fig 8 (b) hay zonas bien diferenciadas donde se ubican las regiones de patrones de flujo en la parte inferior el flujo tapoacuten en la regioacuten media la dispersioacuten de aceite en agua en la regioacuten superior la dispersioacuten muy fina

de aceite en agua y en la regioacuten inferior derecha el flujo anular El patroacuten de flujo maacutes observado fue el de dispersioacuten muy fina de aceite en agua seguido por el flujo tapoacuten y la dispersioacuten de aceite en agua El que menos se presentoacute fue el patroacuten de flujo anular por las condiciones de operacioacuten del equipo

En la Figura 9 (a) y (b) se muestra la retencioacuten de agua promedio obtenida para cada prueba experimental para inclinaciones d tuberiacutea de 45ordm y 90ordm en funcioacuten de los caudales de agua y aceite Tal y como se observa Hw aumenta con el caudal de agua y disminuye con el caudal de aceite En la misma Fig se muestra en liacuteneas continuas los valores arrojados por la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

( )

SOo w 1 4

w o 2M w2

w

UH 1 H

g1 2U 153 H

= minus =σ ρ minusρ⎡ ⎤

+ ⎢ ⎥ρ⎣ ⎦

(1)

01

1

001 01 1

Uso (ms)

Usw (ms)

PSCCVDFowCC-PSCT

01

1

00 01 10Uso (ms)

Usw (ms)

TapoacutenVFDowAnularAnular + VFDowDowTapoacuten-Dow

(a) (b)

Fig 8 Mapa de patrones de flujo para (a) 45ordm y (b) 90ordm de inclinacioacuten obtenido experimentalmente

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms exp

Uso 018ms exp

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms expUso 008ms expUso 018ms expUso 039ms exp

(a) (b)

Fig 9 Retencioacuten de la fase acuosa en funcioacuten de la velocidad superficial de agua para (a) 45ordm y (b) 90ordm Las liacuteneas continuas corresponden a la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

CONCLUSIONES

Para el flujo simultaacuteneo de agua y aceite de densidad 867 kgm3 y viscosidad 01310 Pas en una tuberiacutea vertical ascendente de 125 in de diaacutemetro interno se obtuvieron los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua pseudo patroacuten (PS) dispersioacuten de aceite en agua cocorriente (CC) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow)

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988

INTRODUCCIOacuteN El flujo bifaacutesico liacutequido-liacutequido estaacute presente en una gran variedad de industrias quiacutemica nuclear de procesamiento petroquiacutemica y en especial en la industria petrolera Cuando el crudo es transportado desde el yacimiento hasta los cabezales de produccioacuten y posteriormente a las estaciones de flujo y de descarga eacuteste va acompantildeado de otros fluidos como agua gas natural y sedimentos soacutelidos formando distintas configuraciones geomeacutetricas en la tuberiacutea definidas como patrones de flujo Existen diferentes tipos de flujo multifaacutesico para la industria petrolera los maacutes relevantes son gas-liacutequido liacutequido-liacutequido liacutequido-soacutelido gas-soacutelido gas-liquido-soacutelido y gas-liquido-liacutequido

El flujo gas-liacutequido es el que ha sido estudiado maacutes extensamente a pesar de la gran importancia que tiene el transporte liacutequido-liacutequido ya que se ha estimado que el 80 de las fallas ocurridas en los sistemas de produccioacuten y transporte de petroacuteleo son causados por corrosioacuten interna elevando asiacute los costos de reemplazo de tuberiacuteas Los hidrocarburos liacutequidos que se transportan mediante tuberiacuteas frecuentemente contienen agua libre y la presencia de este fluido puede provocar corrosioacuten severa en las paredes de la tuberiacutea

El fenoacutemeno de corrosioacuten interna depende de la configuracioacuten geomeacutetrica del flujo de los dos liacutequidos Las inspecciones ultrasoacutenicas de oleoductos [1] revelan que la corrosioacuten maacutes severa se presenta en tuberiacuteas en las que una baja velocidad de flujo ocasiona segregacioacuten de fases Por lo tanto la determinacioacuten del patroacuten de flujo es una consideracioacuten importante en la evaluacioacuten del riesgo de la corrosioacuten en oleoductos Adicionalmente muchas de las variables de disentildeo como la caiacuteda de presioacuten el holdup y el coeficiente de transferencia de masa y calor dependen del patroacuten de flujo existente

En el caso del flujo liacutequido-liacutequido auacuten no se ha llegado a una unificacioacuten de criterios en cuanto a los patrones de flujo desarrollados y sus transiciones La principal causa de esto es la similitud entre las propiedades de los dos fluidos existiendo un diferencial finito de densidad y viscosidad entre siacute por lo que no puede ser despreciada una variable frente a otra como en el caso gas-liacutequido Por tal motivo no es evidente cual de las fases se mueve maacutes raacutepido en un flujo estratificado o bien cual es el fluido maacutes propenso a formar una gota o a coalescer hacieacutendose necesario considerar factores adicionales

Cada autor de acuerdo a su apreciacioacuten ha propuesto patrones de flujo distintos Oglesby 1979 reportoacute catorce patrones de flujo diferentes mientras que otros como Russell et al y Malinowsky describen soacutelo tres o cuatro [2] Govier et al [3] publicaron uno de los primeros trabajos en esta aacuterea Empleando un aceite de viscosidad 00201Pas en un intervalo de Usw y Uso de 0003 ms hasta 3048 ms encontraron los patrones de flujo burbuja tapoacuten espuma rizado (o semianular) peliacutecula (o anular) niebla

Zavareh et al [4] desarrollaron un trabajo experimental empleando una tuberiacutea de 128 m de largo y diaacutemetro de 1842 m para un intervalo de Uso entre 005 ms y 05 ms y Usw entre 002 ms y 06 ms obteniendo 4 patrones de flujo diferentes burbuja burbuja disperso burbuja invertido y burbuja disperso invertido (Fig 1)

Fig 1 Patrones de flujo observados por Zavareh et al [4]

Con la tuberiacutea vertical todos los regiacutemenes de flujo pueden ser clasificados como flujo burbuja en el cual las

burbujas de aceite relativamente grandes son arrastradas por el agua que se presenta aquiacute como la fase continua El flujo burbuja disperso consiste en burbujas muy finas o pequentildeas de aceite que estaacuten dispersas en el agua en tanto que el flujo burbuja invertido las gotas grandes de agua son arrastradas por un flujo de aceite que en este patroacuten es

la fase continua y finalmente el flujo burbuja disperso invertido es aquel donde gotas muy pequentildeas de agua se encuentran dispersas en el flujo de aceite

Maacutes recientemente Flores et al [5] publicaron un trabajo muy completo en esta aacuterea Emplearon fluidos con una relacioacuten ρoρw = 085 microomicrow = 20 y tensioacuten interfacial de 0029 Nm en una tuberiacutea de 155 m de longitud y 00508 m de diaacutemetro Los patrones de flujo encontrados estaacuten clasificados en dos categoriacuteas principales flujo segregado y flujo disperso (Fig 2)

El flujo segregado estaacute caracterizado por la continuidad en direccioacuten axial de las dos fases mientras que en flujo disperso la continuidad ha sido interrumpida en cualquiera de las dos fases Los patrones de flujo identificados fueron i) dominados por agua dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y aceite en flujo agitado de agua (ow CF) y ii) dominados por aceite agua en flujo agitado de aceite (wo CF) dispersioacuten de agua en aceite (D wo) y dispersioacuten muy fina de agua en aceite (VFD wo)

Figura 2 Patrones de flujo verticales propuestos por Flores et al [5]

Bannwart et al [6] realizaron un trabajo experimental con la finalidad de estudiar los patrones de flujo en tuberiacuteas

empleando agua y crudo de alta viscosidad 0488 Pas en una tuberiacutea de 543 m de longitud y 00284 m de diaacutemetro Los patrones de flujo los clasificaron por analogiacutea con patrones gas-liacutequido empleando una letra que denota el patroacuten principal una segunda letra que indica un subnivel y tambieacuten una tercera si es necesaria una mejor denominacioacuten En la Fig 3 se incluyen las fotografiacuteas de algunos de ellos

Figura 3 Patrones de flujo en tuberiacuteas verticales observados por Bannwart et al [6]

En la literatura los patrones se reportan a traveacutes de los llamados mapas de patrones de flujo los cuales son la

representacioacuten bidimensional en un sistema cartesiano de los regiacutemenes de flujo La gran mayoriacutea de los mapas son experimentales y la transicioacuten de un reacutegimen de flujo a otro lo determina el autor de manera subjetiva de acuerdo a la visualizacioacuten que haya hecho de los mismos

El comportamiento del flujo bifaacutesico depende de las propiedades fiacutesicas de cada fluido (viscosidad densidad tensioacuten interfacial) y de las condiciones de operacioacuten (holdup velocidades superficiales diaacutemetro e inclinacioacuten de la tuberiacutea) por tal motivo cada mapa de flujo seraacute vaacutelido para las condiciones de operacioacuten y los fluidos utilizados para su generacioacuten De esta manera si se desea hacer un estudio ya sea de disentildeo o de evaluacioacuten en un sistema de

produccioacuten habriacutea que realizar experimentos con los fluidos y las condiciones de operacioacuten deseadas Por esta razoacuten surgioacute la necesidad de predecir el comportamiento del flujo bifaacutesico sin tener que realizar pruebas experimentales para cada par de fluidos o condiciones de operacioacuten Asiacute nacieron las aproximaciones empiacutericas [7] las que si bien son sencillas de usar presentan el inconveniente de que no explican el fenoacutemeno fiacutesico del flujo en dos fases La otra gran desventaja es que su uso estaacute limitado a condiciones similares para las que fueron desarrolladas fuera de ellas las desviaciones en los valores predichos aumentan significativamente

Debido a las limitaciones mencionadas surgioacute una nueva aproximacioacuten por modelos mecaniacutesticos En eacutestos se pretende aclarar el fenoacutemeno fiacutesico modelando matemaacuteticamente el mecanismo que causa el flujo bifaacutesico El primer objetivo de esta aproximacioacuten es predecir el reacutegimen de flujo existente en un sistema dado para luego desarrollar un modelo separado para cada patroacuten de flujo con el fin de predecir su hidrodinaacutemica yo transferencia de calor

El modelo mecaniacutestico desarrollado por Trallero [7] y posteriormente modificado por Trallero et al [8] es el maacutes utilizado actualmente para predecir la transicioacuten entre los patrones de flujo en tuberiacuteas horizontales o ligeramente inclinadas Este modelo se basa en un anaacutelisis de estabilidad para las transiciones entre los patrones segregados y una comparacioacuten entre las fuerzas gravitacionales o de flotacioacuten con las fuerzas de arrastre para las transiciones entre los flujos dispersos Para realizar estos caacutelculos se necesita conocer variables como las velocidades superficiales y el holdup de cada fase el diaacutemetro de las gotas entre otras Sin embargo muchas veces no se dispone de correlaciones precisas para su estimacioacuten por lo que se requieren sistemas que permitan determinarlas experimentalmente

Para el caso de flujo vertical la informacioacuten es maacutes escasa razoacuten por la cual en este trabajo se determinaraacuten los patrones de flujo y la retencioacuten de fases para el sistema agua-aceite

PARTE EXPERIMENTAL

El equipo utilizado consiste en una tuberiacutea de acriacutelico en forma de ldquoUrdquo de 83 m de largo y de 125 in de diaacutemetro

interno soportada por una estructura metaacutelica que puede rotar de 0 a 90deg (Fig 4)

Fig 4 Sistema experimental [10]

El sistema de alimentacioacuten de los fluidos consta de 3 liacuteneas principales una para la fase gaseosa (aire) y otras 2 para las fases liacutequidas (una para fluidos acuosos y otra para aceites) Cada liacutenea de liacutequido cuenta con una bomba de desplazamiento positivo con una potencia maacutexima de 55 kW mientras que el aire es proporcionado por un compresor capaz de mantener la presioacuten en 100 psig Para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico de gas se utiliza un rotaacutemetro de 2 a 20 pie3min y un medidor tipo VORTEX con un intervalo de medicioacuten de 0 a 2278 Ls Para las liacuteneas de liacutequido se utiliza un rotaacutemetro de 0 a 10 galmin para la liacutenea de liacutequidos acuosos y un rotaacutemetro de 1 a 10

galmin para la liacutenea de los aceites Ambas liacuteneas de liacutequido cuentan con un medidor tipo VORTEX de 0 a 1333 Ls Una vez que los fluidos pasan por la tuberiacutea de prueba llegan a la seccioacuten de separacioacuten Esta estaacute conformada por dos tanques de 500 L de capacidad donde se deja que la mezcla agua-aceite se separe por gravedad antes de retornar el aceite al tanque de alimentacioacuten respectivo

Una vez seleccionados los caudales de ambas fases y el aacutengulo de inclinacioacuten de la tuberiacutea se inicia la prueba esperando unos dos minutos hasta alcanzar condiciones estacionarias El patroacuten de flujo se observa directamente a traveacutes de las paredes de la tuberiacutea y se graba con la caacutemara de alta velocidad a traveacutes de la celda visualizacioacuten ubicada a una distancia LD de 200 medida desde el punto de mezcla de las fluidos con el fin de almacenar la informacioacuten para anaacutelisis posteriores Para determinar el holdup de liacutequido se acciona el interruptor On-Off que permite aislar la parte del flujo en donde se van a realizar las mediciones Posteriormente se espera a que la mezcla bifaacutesica se separe en sus fases y se procede a medir la altura de liacutequido Se repite el procedimiento para la determinacioacuten del holdup hasta que la desviacioacuten entre una medicioacuten y el promedio de las anteriores sea menor al 3 Posteriormente se procede a fijar otra combinacioacuten de caudales y se repite el mismo procedimiento

En la Tabla 1 se muestran las propiedades fiacutesicas de los fluidos usados en este trabajo

Tabla 1 Propiedades de los fluidos utilizados

ρ

(kgm3) micro(Pas) σ (Nm) Aceite 867plusmn2 01310 Agua 997538 0000941 00297plusmn0009

RESULTADOS Y DISCUSION

Variando los caudales de ambas fases se realizoacute un total 106 experimentos Los patrones de flujo observados

fueron cuatro de los cuales tres son dominados por la fase acuosa (Intermitente o tapoacuten dispersioacuten de aceite en agua Dow y dispersioacuten muy fina de aceite en agua VFDow) y el restante posee dos fases continuas (anular)

La base de los patrones de flujo es bastante similar al caso gas-liacutequido en tuberiacuteas verticales A bajos flujos de aceite y moderados flujos de agua el patroacuten de flujo consiste en gotas de aceite en agua Pero a altos flujos de agua se observa dispersioacuten de aceite en agua El flujo intermitente consiste de una serie de gotas de aceite en forma de campana muy similar al flujo gas-liacutequido El flujo anular consiste en un cilindro de aceite rodeado por un anillo de agua Cada uno de estos patrones base puede aparecer con una dispersioacuten de pequentildeas gotas de aceite en agua causando patrones de flujo combinados [6] En todos los casos se observoacute que las transiciones de un patroacuten de flujo a otro ocurren de forma continua y no abrupta

En las Figuras 6 (a) y (b) se pueden apreciar los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua tapoacuten y anular El patroacuten de flujo dispersioacuten de agua en aceite presenta burbujas de aceite grandes separadas entre siacute por una distancia considerable y no presenta dispersioacuten muy fina de aceite entre las mismas El flujo intermitente o tapoacuten (Fig 7 (a)) consiste en una burbuja larga de aceite en forma de bala en su extremo superior sin embargo hacia su parte intermedia presenta una interfase ondulada hasta que llega la cola donde culmina con una forma irregular El espacio comprendido entre un tapoacuten y otro suele estar ocupado por burbujas de aceite pequentildeas Es posible ver dos tapones seguidos sin la presencia de burbujas de aceite entre uno y otro En el anular se observa una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea cubierta por un aacutenulo de agua donde la interfase del aceite es ondulada por lo que el diaacutemetro de la columna de aceite no es constante

En la Figura 6 (a) para una Usw=024ms y Uso=002ms se aprecia un patroacuten de flujo de burbuja dispersa (A) Si se aumenta el caudal de aceite estas gotas comienzan a coalescer adquiriendo la forma de campana caracteriacutestica del flujo intermitente (B C) presentaacutendose la transicioacuten entre estos dos patrones Al seguir aumentando la velocidad de aceite se observan tapones de forma similar a los mostrados en la Fig 8 pero que difieren en longitud y cantidad de gotas asociadas a la cola del mismo

En la Figura 6 (b) se observa la transicioacuten entre el patroacuten de flujo tapoacuten y el anular Este uacuteltimo muy similar al encontrado por Bannwart et al [6] y que denominoacute Anular Ondulado Distorsionado + Burbuja Dispersa (AODBD) que se muestra en la Fig 4

En liacuteneas generales las transiciones que se observan en las Figs 6 (a) y (b) son bastante claras y la tendencia es que al ir aumentando Uso manteniendo Usw constante las burbujas de aceite coalescen y forman tapones Al aumentar maacutes Uso los tapones van aumentando su tamantildeo hasta que finalmente forman una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea rodeado por la fase acuosa

En la Fig 7 (b) se muestran los patrones de flujo obtenidos manteniendo la velocidad superficial de aceite constante Uso=002ms y variando la de agua Para Usw de 029ms (A) y 032ms (B) se aprecian burbujas de aceite grandes con forma de tapoacuten antecedidas y precedidas por burbujas de aceite de menor tamantildeo A medida que se

incrementa la velocidad superficial del agua pasando por 035ms (C) 038ms (D) y 041ms (E) se observa una mayor turbulencia provocando que aumente la frecuencia de aparicioacuten en los tapones llegando en algunos casos a chocar entre siacute lo que conlleva a su colapso y separacioacuten en gotas de aceite maacutes pequentildeas dando paso al patroacuten de flujo de gotas dispersas provocaacutendose asiacute la transicioacuten intermitente-gotas dispersas

(a) (b) Fig 6 (a) Transicioacuten dispersioacuten de aceite en agua a intermitente o tapoacuten Usw=024ms Uso (A) 002ms (B)

005ms (C) 008ms (D) 013ms y (E) 018ms (b) Transicioacuten intermitente anular Usw=024ms Uso (A) 023ms (B) 029ms (C) 034ms y (D) 039ms

(a) (b) Fig 7 (a) Patroacuten de flujo intermitente o tapoacuten Uso=002ms Usw (A) 010ms (B) 013ms (C) 016ms (D)

021ms y (E) 024ms (b) Transicioacuten intermitente dispersioacuten de aceite en agua Uso=002ms Usw (A) 029ms (B) 032ms (C) 035ms (D) 038ms y (E) 041ms

Todos los valores experimentales de patrones de flujo fueron graficados en funcioacuten de las velocidades superficiales de ambas fases obtenieacutendose el mapa de patrones presentado en la Fig 8(a) El intervalo de velocidades superficiales con que se trabajoacute corresponde a 002 ms lt Uso lt 039 ms y 016 ms lt Usw lt 072 ms Como se aprecia en la Fig 8 (b) hay zonas bien diferenciadas donde se ubican las regiones de patrones de flujo en la parte inferior el flujo tapoacuten en la regioacuten media la dispersioacuten de aceite en agua en la regioacuten superior la dispersioacuten muy fina

de aceite en agua y en la regioacuten inferior derecha el flujo anular El patroacuten de flujo maacutes observado fue el de dispersioacuten muy fina de aceite en agua seguido por el flujo tapoacuten y la dispersioacuten de aceite en agua El que menos se presentoacute fue el patroacuten de flujo anular por las condiciones de operacioacuten del equipo

En la Figura 9 (a) y (b) se muestra la retencioacuten de agua promedio obtenida para cada prueba experimental para inclinaciones d tuberiacutea de 45ordm y 90ordm en funcioacuten de los caudales de agua y aceite Tal y como se observa Hw aumenta con el caudal de agua y disminuye con el caudal de aceite En la misma Fig se muestra en liacuteneas continuas los valores arrojados por la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

( )

SOo w 1 4

w o 2M w2

w

UH 1 H

g1 2U 153 H

= minus =σ ρ minusρ⎡ ⎤

+ ⎢ ⎥ρ⎣ ⎦

(1)

01

1

001 01 1

Uso (ms)

Usw (ms)

PSCCVDFowCC-PSCT

01

1

00 01 10Uso (ms)

Usw (ms)

TapoacutenVFDowAnularAnular + VFDowDowTapoacuten-Dow

(a) (b)

Fig 8 Mapa de patrones de flujo para (a) 45ordm y (b) 90ordm de inclinacioacuten obtenido experimentalmente

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms exp

Uso 018ms exp

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms expUso 008ms expUso 018ms expUso 039ms exp

(a) (b)

Fig 9 Retencioacuten de la fase acuosa en funcioacuten de la velocidad superficial de agua para (a) 45ordm y (b) 90ordm Las liacuteneas continuas corresponden a la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

CONCLUSIONES

Para el flujo simultaacuteneo de agua y aceite de densidad 867 kgm3 y viscosidad 01310 Pas en una tuberiacutea vertical ascendente de 125 in de diaacutemetro interno se obtuvieron los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua pseudo patroacuten (PS) dispersioacuten de aceite en agua cocorriente (CC) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow)

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988

la fase continua y finalmente el flujo burbuja disperso invertido es aquel donde gotas muy pequentildeas de agua se encuentran dispersas en el flujo de aceite

Maacutes recientemente Flores et al [5] publicaron un trabajo muy completo en esta aacuterea Emplearon fluidos con una relacioacuten ρoρw = 085 microomicrow = 20 y tensioacuten interfacial de 0029 Nm en una tuberiacutea de 155 m de longitud y 00508 m de diaacutemetro Los patrones de flujo encontrados estaacuten clasificados en dos categoriacuteas principales flujo segregado y flujo disperso (Fig 2)

El flujo segregado estaacute caracterizado por la continuidad en direccioacuten axial de las dos fases mientras que en flujo disperso la continuidad ha sido interrumpida en cualquiera de las dos fases Los patrones de flujo identificados fueron i) dominados por agua dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y aceite en flujo agitado de agua (ow CF) y ii) dominados por aceite agua en flujo agitado de aceite (wo CF) dispersioacuten de agua en aceite (D wo) y dispersioacuten muy fina de agua en aceite (VFD wo)

Figura 2 Patrones de flujo verticales propuestos por Flores et al [5]

Bannwart et al [6] realizaron un trabajo experimental con la finalidad de estudiar los patrones de flujo en tuberiacuteas

empleando agua y crudo de alta viscosidad 0488 Pas en una tuberiacutea de 543 m de longitud y 00284 m de diaacutemetro Los patrones de flujo los clasificaron por analogiacutea con patrones gas-liacutequido empleando una letra que denota el patroacuten principal una segunda letra que indica un subnivel y tambieacuten una tercera si es necesaria una mejor denominacioacuten En la Fig 3 se incluyen las fotografiacuteas de algunos de ellos

Figura 3 Patrones de flujo en tuberiacuteas verticales observados por Bannwart et al [6]

En la literatura los patrones se reportan a traveacutes de los llamados mapas de patrones de flujo los cuales son la

representacioacuten bidimensional en un sistema cartesiano de los regiacutemenes de flujo La gran mayoriacutea de los mapas son experimentales y la transicioacuten de un reacutegimen de flujo a otro lo determina el autor de manera subjetiva de acuerdo a la visualizacioacuten que haya hecho de los mismos

El comportamiento del flujo bifaacutesico depende de las propiedades fiacutesicas de cada fluido (viscosidad densidad tensioacuten interfacial) y de las condiciones de operacioacuten (holdup velocidades superficiales diaacutemetro e inclinacioacuten de la tuberiacutea) por tal motivo cada mapa de flujo seraacute vaacutelido para las condiciones de operacioacuten y los fluidos utilizados para su generacioacuten De esta manera si se desea hacer un estudio ya sea de disentildeo o de evaluacioacuten en un sistema de

produccioacuten habriacutea que realizar experimentos con los fluidos y las condiciones de operacioacuten deseadas Por esta razoacuten surgioacute la necesidad de predecir el comportamiento del flujo bifaacutesico sin tener que realizar pruebas experimentales para cada par de fluidos o condiciones de operacioacuten Asiacute nacieron las aproximaciones empiacutericas [7] las que si bien son sencillas de usar presentan el inconveniente de que no explican el fenoacutemeno fiacutesico del flujo en dos fases La otra gran desventaja es que su uso estaacute limitado a condiciones similares para las que fueron desarrolladas fuera de ellas las desviaciones en los valores predichos aumentan significativamente

Debido a las limitaciones mencionadas surgioacute una nueva aproximacioacuten por modelos mecaniacutesticos En eacutestos se pretende aclarar el fenoacutemeno fiacutesico modelando matemaacuteticamente el mecanismo que causa el flujo bifaacutesico El primer objetivo de esta aproximacioacuten es predecir el reacutegimen de flujo existente en un sistema dado para luego desarrollar un modelo separado para cada patroacuten de flujo con el fin de predecir su hidrodinaacutemica yo transferencia de calor

El modelo mecaniacutestico desarrollado por Trallero [7] y posteriormente modificado por Trallero et al [8] es el maacutes utilizado actualmente para predecir la transicioacuten entre los patrones de flujo en tuberiacuteas horizontales o ligeramente inclinadas Este modelo se basa en un anaacutelisis de estabilidad para las transiciones entre los patrones segregados y una comparacioacuten entre las fuerzas gravitacionales o de flotacioacuten con las fuerzas de arrastre para las transiciones entre los flujos dispersos Para realizar estos caacutelculos se necesita conocer variables como las velocidades superficiales y el holdup de cada fase el diaacutemetro de las gotas entre otras Sin embargo muchas veces no se dispone de correlaciones precisas para su estimacioacuten por lo que se requieren sistemas que permitan determinarlas experimentalmente

Para el caso de flujo vertical la informacioacuten es maacutes escasa razoacuten por la cual en este trabajo se determinaraacuten los patrones de flujo y la retencioacuten de fases para el sistema agua-aceite

PARTE EXPERIMENTAL

El equipo utilizado consiste en una tuberiacutea de acriacutelico en forma de ldquoUrdquo de 83 m de largo y de 125 in de diaacutemetro

interno soportada por una estructura metaacutelica que puede rotar de 0 a 90deg (Fig 4)

Fig 4 Sistema experimental [10]

El sistema de alimentacioacuten de los fluidos consta de 3 liacuteneas principales una para la fase gaseosa (aire) y otras 2 para las fases liacutequidas (una para fluidos acuosos y otra para aceites) Cada liacutenea de liacutequido cuenta con una bomba de desplazamiento positivo con una potencia maacutexima de 55 kW mientras que el aire es proporcionado por un compresor capaz de mantener la presioacuten en 100 psig Para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico de gas se utiliza un rotaacutemetro de 2 a 20 pie3min y un medidor tipo VORTEX con un intervalo de medicioacuten de 0 a 2278 Ls Para las liacuteneas de liacutequido se utiliza un rotaacutemetro de 0 a 10 galmin para la liacutenea de liacutequidos acuosos y un rotaacutemetro de 1 a 10

galmin para la liacutenea de los aceites Ambas liacuteneas de liacutequido cuentan con un medidor tipo VORTEX de 0 a 1333 Ls Una vez que los fluidos pasan por la tuberiacutea de prueba llegan a la seccioacuten de separacioacuten Esta estaacute conformada por dos tanques de 500 L de capacidad donde se deja que la mezcla agua-aceite se separe por gravedad antes de retornar el aceite al tanque de alimentacioacuten respectivo

Una vez seleccionados los caudales de ambas fases y el aacutengulo de inclinacioacuten de la tuberiacutea se inicia la prueba esperando unos dos minutos hasta alcanzar condiciones estacionarias El patroacuten de flujo se observa directamente a traveacutes de las paredes de la tuberiacutea y se graba con la caacutemara de alta velocidad a traveacutes de la celda visualizacioacuten ubicada a una distancia LD de 200 medida desde el punto de mezcla de las fluidos con el fin de almacenar la informacioacuten para anaacutelisis posteriores Para determinar el holdup de liacutequido se acciona el interruptor On-Off que permite aislar la parte del flujo en donde se van a realizar las mediciones Posteriormente se espera a que la mezcla bifaacutesica se separe en sus fases y se procede a medir la altura de liacutequido Se repite el procedimiento para la determinacioacuten del holdup hasta que la desviacioacuten entre una medicioacuten y el promedio de las anteriores sea menor al 3 Posteriormente se procede a fijar otra combinacioacuten de caudales y se repite el mismo procedimiento

En la Tabla 1 se muestran las propiedades fiacutesicas de los fluidos usados en este trabajo

Tabla 1 Propiedades de los fluidos utilizados

ρ

(kgm3) micro(Pas) σ (Nm) Aceite 867plusmn2 01310 Agua 997538 0000941 00297plusmn0009

RESULTADOS Y DISCUSION

Variando los caudales de ambas fases se realizoacute un total 106 experimentos Los patrones de flujo observados

fueron cuatro de los cuales tres son dominados por la fase acuosa (Intermitente o tapoacuten dispersioacuten de aceite en agua Dow y dispersioacuten muy fina de aceite en agua VFDow) y el restante posee dos fases continuas (anular)

La base de los patrones de flujo es bastante similar al caso gas-liacutequido en tuberiacuteas verticales A bajos flujos de aceite y moderados flujos de agua el patroacuten de flujo consiste en gotas de aceite en agua Pero a altos flujos de agua se observa dispersioacuten de aceite en agua El flujo intermitente consiste de una serie de gotas de aceite en forma de campana muy similar al flujo gas-liacutequido El flujo anular consiste en un cilindro de aceite rodeado por un anillo de agua Cada uno de estos patrones base puede aparecer con una dispersioacuten de pequentildeas gotas de aceite en agua causando patrones de flujo combinados [6] En todos los casos se observoacute que las transiciones de un patroacuten de flujo a otro ocurren de forma continua y no abrupta

En las Figuras 6 (a) y (b) se pueden apreciar los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua tapoacuten y anular El patroacuten de flujo dispersioacuten de agua en aceite presenta burbujas de aceite grandes separadas entre siacute por una distancia considerable y no presenta dispersioacuten muy fina de aceite entre las mismas El flujo intermitente o tapoacuten (Fig 7 (a)) consiste en una burbuja larga de aceite en forma de bala en su extremo superior sin embargo hacia su parte intermedia presenta una interfase ondulada hasta que llega la cola donde culmina con una forma irregular El espacio comprendido entre un tapoacuten y otro suele estar ocupado por burbujas de aceite pequentildeas Es posible ver dos tapones seguidos sin la presencia de burbujas de aceite entre uno y otro En el anular se observa una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea cubierta por un aacutenulo de agua donde la interfase del aceite es ondulada por lo que el diaacutemetro de la columna de aceite no es constante

En la Figura 6 (a) para una Usw=024ms y Uso=002ms se aprecia un patroacuten de flujo de burbuja dispersa (A) Si se aumenta el caudal de aceite estas gotas comienzan a coalescer adquiriendo la forma de campana caracteriacutestica del flujo intermitente (B C) presentaacutendose la transicioacuten entre estos dos patrones Al seguir aumentando la velocidad de aceite se observan tapones de forma similar a los mostrados en la Fig 8 pero que difieren en longitud y cantidad de gotas asociadas a la cola del mismo

En la Figura 6 (b) se observa la transicioacuten entre el patroacuten de flujo tapoacuten y el anular Este uacuteltimo muy similar al encontrado por Bannwart et al [6] y que denominoacute Anular Ondulado Distorsionado + Burbuja Dispersa (AODBD) que se muestra en la Fig 4

En liacuteneas generales las transiciones que se observan en las Figs 6 (a) y (b) son bastante claras y la tendencia es que al ir aumentando Uso manteniendo Usw constante las burbujas de aceite coalescen y forman tapones Al aumentar maacutes Uso los tapones van aumentando su tamantildeo hasta que finalmente forman una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea rodeado por la fase acuosa

En la Fig 7 (b) se muestran los patrones de flujo obtenidos manteniendo la velocidad superficial de aceite constante Uso=002ms y variando la de agua Para Usw de 029ms (A) y 032ms (B) se aprecian burbujas de aceite grandes con forma de tapoacuten antecedidas y precedidas por burbujas de aceite de menor tamantildeo A medida que se

incrementa la velocidad superficial del agua pasando por 035ms (C) 038ms (D) y 041ms (E) se observa una mayor turbulencia provocando que aumente la frecuencia de aparicioacuten en los tapones llegando en algunos casos a chocar entre siacute lo que conlleva a su colapso y separacioacuten en gotas de aceite maacutes pequentildeas dando paso al patroacuten de flujo de gotas dispersas provocaacutendose asiacute la transicioacuten intermitente-gotas dispersas

(a) (b) Fig 6 (a) Transicioacuten dispersioacuten de aceite en agua a intermitente o tapoacuten Usw=024ms Uso (A) 002ms (B)

005ms (C) 008ms (D) 013ms y (E) 018ms (b) Transicioacuten intermitente anular Usw=024ms Uso (A) 023ms (B) 029ms (C) 034ms y (D) 039ms

(a) (b) Fig 7 (a) Patroacuten de flujo intermitente o tapoacuten Uso=002ms Usw (A) 010ms (B) 013ms (C) 016ms (D)

021ms y (E) 024ms (b) Transicioacuten intermitente dispersioacuten de aceite en agua Uso=002ms Usw (A) 029ms (B) 032ms (C) 035ms (D) 038ms y (E) 041ms

Todos los valores experimentales de patrones de flujo fueron graficados en funcioacuten de las velocidades superficiales de ambas fases obtenieacutendose el mapa de patrones presentado en la Fig 8(a) El intervalo de velocidades superficiales con que se trabajoacute corresponde a 002 ms lt Uso lt 039 ms y 016 ms lt Usw lt 072 ms Como se aprecia en la Fig 8 (b) hay zonas bien diferenciadas donde se ubican las regiones de patrones de flujo en la parte inferior el flujo tapoacuten en la regioacuten media la dispersioacuten de aceite en agua en la regioacuten superior la dispersioacuten muy fina

de aceite en agua y en la regioacuten inferior derecha el flujo anular El patroacuten de flujo maacutes observado fue el de dispersioacuten muy fina de aceite en agua seguido por el flujo tapoacuten y la dispersioacuten de aceite en agua El que menos se presentoacute fue el patroacuten de flujo anular por las condiciones de operacioacuten del equipo

En la Figura 9 (a) y (b) se muestra la retencioacuten de agua promedio obtenida para cada prueba experimental para inclinaciones d tuberiacutea de 45ordm y 90ordm en funcioacuten de los caudales de agua y aceite Tal y como se observa Hw aumenta con el caudal de agua y disminuye con el caudal de aceite En la misma Fig se muestra en liacuteneas continuas los valores arrojados por la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

( )

SOo w 1 4

w o 2M w2

w

UH 1 H

g1 2U 153 H

= minus =σ ρ minusρ⎡ ⎤

+ ⎢ ⎥ρ⎣ ⎦

(1)

01

1

001 01 1

Uso (ms)

Usw (ms)

PSCCVDFowCC-PSCT

01

1

00 01 10Uso (ms)

Usw (ms)

TapoacutenVFDowAnularAnular + VFDowDowTapoacuten-Dow

(a) (b)

Fig 8 Mapa de patrones de flujo para (a) 45ordm y (b) 90ordm de inclinacioacuten obtenido experimentalmente

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms exp

Uso 018ms exp

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms expUso 008ms expUso 018ms expUso 039ms exp

(a) (b)

Fig 9 Retencioacuten de la fase acuosa en funcioacuten de la velocidad superficial de agua para (a) 45ordm y (b) 90ordm Las liacuteneas continuas corresponden a la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

CONCLUSIONES

Para el flujo simultaacuteneo de agua y aceite de densidad 867 kgm3 y viscosidad 01310 Pas en una tuberiacutea vertical ascendente de 125 in de diaacutemetro interno se obtuvieron los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua pseudo patroacuten (PS) dispersioacuten de aceite en agua cocorriente (CC) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow)

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988

produccioacuten habriacutea que realizar experimentos con los fluidos y las condiciones de operacioacuten deseadas Por esta razoacuten surgioacute la necesidad de predecir el comportamiento del flujo bifaacutesico sin tener que realizar pruebas experimentales para cada par de fluidos o condiciones de operacioacuten Asiacute nacieron las aproximaciones empiacutericas [7] las que si bien son sencillas de usar presentan el inconveniente de que no explican el fenoacutemeno fiacutesico del flujo en dos fases La otra gran desventaja es que su uso estaacute limitado a condiciones similares para las que fueron desarrolladas fuera de ellas las desviaciones en los valores predichos aumentan significativamente

Debido a las limitaciones mencionadas surgioacute una nueva aproximacioacuten por modelos mecaniacutesticos En eacutestos se pretende aclarar el fenoacutemeno fiacutesico modelando matemaacuteticamente el mecanismo que causa el flujo bifaacutesico El primer objetivo de esta aproximacioacuten es predecir el reacutegimen de flujo existente en un sistema dado para luego desarrollar un modelo separado para cada patroacuten de flujo con el fin de predecir su hidrodinaacutemica yo transferencia de calor

El modelo mecaniacutestico desarrollado por Trallero [7] y posteriormente modificado por Trallero et al [8] es el maacutes utilizado actualmente para predecir la transicioacuten entre los patrones de flujo en tuberiacuteas horizontales o ligeramente inclinadas Este modelo se basa en un anaacutelisis de estabilidad para las transiciones entre los patrones segregados y una comparacioacuten entre las fuerzas gravitacionales o de flotacioacuten con las fuerzas de arrastre para las transiciones entre los flujos dispersos Para realizar estos caacutelculos se necesita conocer variables como las velocidades superficiales y el holdup de cada fase el diaacutemetro de las gotas entre otras Sin embargo muchas veces no se dispone de correlaciones precisas para su estimacioacuten por lo que se requieren sistemas que permitan determinarlas experimentalmente

Para el caso de flujo vertical la informacioacuten es maacutes escasa razoacuten por la cual en este trabajo se determinaraacuten los patrones de flujo y la retencioacuten de fases para el sistema agua-aceite

PARTE EXPERIMENTAL

El equipo utilizado consiste en una tuberiacutea de acriacutelico en forma de ldquoUrdquo de 83 m de largo y de 125 in de diaacutemetro

interno soportada por una estructura metaacutelica que puede rotar de 0 a 90deg (Fig 4)

Fig 4 Sistema experimental [10]

El sistema de alimentacioacuten de los fluidos consta de 3 liacuteneas principales una para la fase gaseosa (aire) y otras 2 para las fases liacutequidas (una para fluidos acuosos y otra para aceites) Cada liacutenea de liacutequido cuenta con una bomba de desplazamiento positivo con una potencia maacutexima de 55 kW mientras que el aire es proporcionado por un compresor capaz de mantener la presioacuten en 100 psig Para la medicioacuten del flujo volumeacutetrico de gas se utiliza un rotaacutemetro de 2 a 20 pie3min y un medidor tipo VORTEX con un intervalo de medicioacuten de 0 a 2278 Ls Para las liacuteneas de liacutequido se utiliza un rotaacutemetro de 0 a 10 galmin para la liacutenea de liacutequidos acuosos y un rotaacutemetro de 1 a 10

galmin para la liacutenea de los aceites Ambas liacuteneas de liacutequido cuentan con un medidor tipo VORTEX de 0 a 1333 Ls Una vez que los fluidos pasan por la tuberiacutea de prueba llegan a la seccioacuten de separacioacuten Esta estaacute conformada por dos tanques de 500 L de capacidad donde se deja que la mezcla agua-aceite se separe por gravedad antes de retornar el aceite al tanque de alimentacioacuten respectivo

Una vez seleccionados los caudales de ambas fases y el aacutengulo de inclinacioacuten de la tuberiacutea se inicia la prueba esperando unos dos minutos hasta alcanzar condiciones estacionarias El patroacuten de flujo se observa directamente a traveacutes de las paredes de la tuberiacutea y se graba con la caacutemara de alta velocidad a traveacutes de la celda visualizacioacuten ubicada a una distancia LD de 200 medida desde el punto de mezcla de las fluidos con el fin de almacenar la informacioacuten para anaacutelisis posteriores Para determinar el holdup de liacutequido se acciona el interruptor On-Off que permite aislar la parte del flujo en donde se van a realizar las mediciones Posteriormente se espera a que la mezcla bifaacutesica se separe en sus fases y se procede a medir la altura de liacutequido Se repite el procedimiento para la determinacioacuten del holdup hasta que la desviacioacuten entre una medicioacuten y el promedio de las anteriores sea menor al 3 Posteriormente se procede a fijar otra combinacioacuten de caudales y se repite el mismo procedimiento

En la Tabla 1 se muestran las propiedades fiacutesicas de los fluidos usados en este trabajo

Tabla 1 Propiedades de los fluidos utilizados

ρ

(kgm3) micro(Pas) σ (Nm) Aceite 867plusmn2 01310 Agua 997538 0000941 00297plusmn0009

RESULTADOS Y DISCUSION

Variando los caudales de ambas fases se realizoacute un total 106 experimentos Los patrones de flujo observados

fueron cuatro de los cuales tres son dominados por la fase acuosa (Intermitente o tapoacuten dispersioacuten de aceite en agua Dow y dispersioacuten muy fina de aceite en agua VFDow) y el restante posee dos fases continuas (anular)

La base de los patrones de flujo es bastante similar al caso gas-liacutequido en tuberiacuteas verticales A bajos flujos de aceite y moderados flujos de agua el patroacuten de flujo consiste en gotas de aceite en agua Pero a altos flujos de agua se observa dispersioacuten de aceite en agua El flujo intermitente consiste de una serie de gotas de aceite en forma de campana muy similar al flujo gas-liacutequido El flujo anular consiste en un cilindro de aceite rodeado por un anillo de agua Cada uno de estos patrones base puede aparecer con una dispersioacuten de pequentildeas gotas de aceite en agua causando patrones de flujo combinados [6] En todos los casos se observoacute que las transiciones de un patroacuten de flujo a otro ocurren de forma continua y no abrupta

En las Figuras 6 (a) y (b) se pueden apreciar los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua tapoacuten y anular El patroacuten de flujo dispersioacuten de agua en aceite presenta burbujas de aceite grandes separadas entre siacute por una distancia considerable y no presenta dispersioacuten muy fina de aceite entre las mismas El flujo intermitente o tapoacuten (Fig 7 (a)) consiste en una burbuja larga de aceite en forma de bala en su extremo superior sin embargo hacia su parte intermedia presenta una interfase ondulada hasta que llega la cola donde culmina con una forma irregular El espacio comprendido entre un tapoacuten y otro suele estar ocupado por burbujas de aceite pequentildeas Es posible ver dos tapones seguidos sin la presencia de burbujas de aceite entre uno y otro En el anular se observa una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea cubierta por un aacutenulo de agua donde la interfase del aceite es ondulada por lo que el diaacutemetro de la columna de aceite no es constante

En la Figura 6 (a) para una Usw=024ms y Uso=002ms se aprecia un patroacuten de flujo de burbuja dispersa (A) Si se aumenta el caudal de aceite estas gotas comienzan a coalescer adquiriendo la forma de campana caracteriacutestica del flujo intermitente (B C) presentaacutendose la transicioacuten entre estos dos patrones Al seguir aumentando la velocidad de aceite se observan tapones de forma similar a los mostrados en la Fig 8 pero que difieren en longitud y cantidad de gotas asociadas a la cola del mismo

En la Figura 6 (b) se observa la transicioacuten entre el patroacuten de flujo tapoacuten y el anular Este uacuteltimo muy similar al encontrado por Bannwart et al [6] y que denominoacute Anular Ondulado Distorsionado + Burbuja Dispersa (AODBD) que se muestra en la Fig 4

En liacuteneas generales las transiciones que se observan en las Figs 6 (a) y (b) son bastante claras y la tendencia es que al ir aumentando Uso manteniendo Usw constante las burbujas de aceite coalescen y forman tapones Al aumentar maacutes Uso los tapones van aumentando su tamantildeo hasta que finalmente forman una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea rodeado por la fase acuosa

En la Fig 7 (b) se muestran los patrones de flujo obtenidos manteniendo la velocidad superficial de aceite constante Uso=002ms y variando la de agua Para Usw de 029ms (A) y 032ms (B) se aprecian burbujas de aceite grandes con forma de tapoacuten antecedidas y precedidas por burbujas de aceite de menor tamantildeo A medida que se

incrementa la velocidad superficial del agua pasando por 035ms (C) 038ms (D) y 041ms (E) se observa una mayor turbulencia provocando que aumente la frecuencia de aparicioacuten en los tapones llegando en algunos casos a chocar entre siacute lo que conlleva a su colapso y separacioacuten en gotas de aceite maacutes pequentildeas dando paso al patroacuten de flujo de gotas dispersas provocaacutendose asiacute la transicioacuten intermitente-gotas dispersas

(a) (b) Fig 6 (a) Transicioacuten dispersioacuten de aceite en agua a intermitente o tapoacuten Usw=024ms Uso (A) 002ms (B)

005ms (C) 008ms (D) 013ms y (E) 018ms (b) Transicioacuten intermitente anular Usw=024ms Uso (A) 023ms (B) 029ms (C) 034ms y (D) 039ms

(a) (b) Fig 7 (a) Patroacuten de flujo intermitente o tapoacuten Uso=002ms Usw (A) 010ms (B) 013ms (C) 016ms (D)

021ms y (E) 024ms (b) Transicioacuten intermitente dispersioacuten de aceite en agua Uso=002ms Usw (A) 029ms (B) 032ms (C) 035ms (D) 038ms y (E) 041ms

Todos los valores experimentales de patrones de flujo fueron graficados en funcioacuten de las velocidades superficiales de ambas fases obtenieacutendose el mapa de patrones presentado en la Fig 8(a) El intervalo de velocidades superficiales con que se trabajoacute corresponde a 002 ms lt Uso lt 039 ms y 016 ms lt Usw lt 072 ms Como se aprecia en la Fig 8 (b) hay zonas bien diferenciadas donde se ubican las regiones de patrones de flujo en la parte inferior el flujo tapoacuten en la regioacuten media la dispersioacuten de aceite en agua en la regioacuten superior la dispersioacuten muy fina

de aceite en agua y en la regioacuten inferior derecha el flujo anular El patroacuten de flujo maacutes observado fue el de dispersioacuten muy fina de aceite en agua seguido por el flujo tapoacuten y la dispersioacuten de aceite en agua El que menos se presentoacute fue el patroacuten de flujo anular por las condiciones de operacioacuten del equipo

En la Figura 9 (a) y (b) se muestra la retencioacuten de agua promedio obtenida para cada prueba experimental para inclinaciones d tuberiacutea de 45ordm y 90ordm en funcioacuten de los caudales de agua y aceite Tal y como se observa Hw aumenta con el caudal de agua y disminuye con el caudal de aceite En la misma Fig se muestra en liacuteneas continuas los valores arrojados por la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

( )

SOo w 1 4

w o 2M w2

w

UH 1 H

g1 2U 153 H

= minus =σ ρ minusρ⎡ ⎤

+ ⎢ ⎥ρ⎣ ⎦

(1)

01

1

001 01 1

Uso (ms)

Usw (ms)

PSCCVDFowCC-PSCT

01

1

00 01 10Uso (ms)

Usw (ms)

TapoacutenVFDowAnularAnular + VFDowDowTapoacuten-Dow

(a) (b)

Fig 8 Mapa de patrones de flujo para (a) 45ordm y (b) 90ordm de inclinacioacuten obtenido experimentalmente

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms exp

Uso 018ms exp

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms expUso 008ms expUso 018ms expUso 039ms exp

(a) (b)

Fig 9 Retencioacuten de la fase acuosa en funcioacuten de la velocidad superficial de agua para (a) 45ordm y (b) 90ordm Las liacuteneas continuas corresponden a la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

CONCLUSIONES

Para el flujo simultaacuteneo de agua y aceite de densidad 867 kgm3 y viscosidad 01310 Pas en una tuberiacutea vertical ascendente de 125 in de diaacutemetro interno se obtuvieron los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua pseudo patroacuten (PS) dispersioacuten de aceite en agua cocorriente (CC) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow)

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988

galmin para la liacutenea de los aceites Ambas liacuteneas de liacutequido cuentan con un medidor tipo VORTEX de 0 a 1333 Ls Una vez que los fluidos pasan por la tuberiacutea de prueba llegan a la seccioacuten de separacioacuten Esta estaacute conformada por dos tanques de 500 L de capacidad donde se deja que la mezcla agua-aceite se separe por gravedad antes de retornar el aceite al tanque de alimentacioacuten respectivo

Una vez seleccionados los caudales de ambas fases y el aacutengulo de inclinacioacuten de la tuberiacutea se inicia la prueba esperando unos dos minutos hasta alcanzar condiciones estacionarias El patroacuten de flujo se observa directamente a traveacutes de las paredes de la tuberiacutea y se graba con la caacutemara de alta velocidad a traveacutes de la celda visualizacioacuten ubicada a una distancia LD de 200 medida desde el punto de mezcla de las fluidos con el fin de almacenar la informacioacuten para anaacutelisis posteriores Para determinar el holdup de liacutequido se acciona el interruptor On-Off que permite aislar la parte del flujo en donde se van a realizar las mediciones Posteriormente se espera a que la mezcla bifaacutesica se separe en sus fases y se procede a medir la altura de liacutequido Se repite el procedimiento para la determinacioacuten del holdup hasta que la desviacioacuten entre una medicioacuten y el promedio de las anteriores sea menor al 3 Posteriormente se procede a fijar otra combinacioacuten de caudales y se repite el mismo procedimiento

En la Tabla 1 se muestran las propiedades fiacutesicas de los fluidos usados en este trabajo

Tabla 1 Propiedades de los fluidos utilizados

ρ

(kgm3) micro(Pas) σ (Nm) Aceite 867plusmn2 01310 Agua 997538 0000941 00297plusmn0009

RESULTADOS Y DISCUSION

Variando los caudales de ambas fases se realizoacute un total 106 experimentos Los patrones de flujo observados

fueron cuatro de los cuales tres son dominados por la fase acuosa (Intermitente o tapoacuten dispersioacuten de aceite en agua Dow y dispersioacuten muy fina de aceite en agua VFDow) y el restante posee dos fases continuas (anular)

La base de los patrones de flujo es bastante similar al caso gas-liacutequido en tuberiacuteas verticales A bajos flujos de aceite y moderados flujos de agua el patroacuten de flujo consiste en gotas de aceite en agua Pero a altos flujos de agua se observa dispersioacuten de aceite en agua El flujo intermitente consiste de una serie de gotas de aceite en forma de campana muy similar al flujo gas-liacutequido El flujo anular consiste en un cilindro de aceite rodeado por un anillo de agua Cada uno de estos patrones base puede aparecer con una dispersioacuten de pequentildeas gotas de aceite en agua causando patrones de flujo combinados [6] En todos los casos se observoacute que las transiciones de un patroacuten de flujo a otro ocurren de forma continua y no abrupta

En las Figuras 6 (a) y (b) se pueden apreciar los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua tapoacuten y anular El patroacuten de flujo dispersioacuten de agua en aceite presenta burbujas de aceite grandes separadas entre siacute por una distancia considerable y no presenta dispersioacuten muy fina de aceite entre las mismas El flujo intermitente o tapoacuten (Fig 7 (a)) consiste en una burbuja larga de aceite en forma de bala en su extremo superior sin embargo hacia su parte intermedia presenta una interfase ondulada hasta que llega la cola donde culmina con una forma irregular El espacio comprendido entre un tapoacuten y otro suele estar ocupado por burbujas de aceite pequentildeas Es posible ver dos tapones seguidos sin la presencia de burbujas de aceite entre uno y otro En el anular se observa una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea cubierta por un aacutenulo de agua donde la interfase del aceite es ondulada por lo que el diaacutemetro de la columna de aceite no es constante

En la Figura 6 (a) para una Usw=024ms y Uso=002ms se aprecia un patroacuten de flujo de burbuja dispersa (A) Si se aumenta el caudal de aceite estas gotas comienzan a coalescer adquiriendo la forma de campana caracteriacutestica del flujo intermitente (B C) presentaacutendose la transicioacuten entre estos dos patrones Al seguir aumentando la velocidad de aceite se observan tapones de forma similar a los mostrados en la Fig 8 pero que difieren en longitud y cantidad de gotas asociadas a la cola del mismo

En la Figura 6 (b) se observa la transicioacuten entre el patroacuten de flujo tapoacuten y el anular Este uacuteltimo muy similar al encontrado por Bannwart et al [6] y que denominoacute Anular Ondulado Distorsionado + Burbuja Dispersa (AODBD) que se muestra en la Fig 4

En liacuteneas generales las transiciones que se observan en las Figs 6 (a) y (b) son bastante claras y la tendencia es que al ir aumentando Uso manteniendo Usw constante las burbujas de aceite coalescen y forman tapones Al aumentar maacutes Uso los tapones van aumentando su tamantildeo hasta que finalmente forman una fase continua de aceite en el centro de la tuberiacutea rodeado por la fase acuosa

En la Fig 7 (b) se muestran los patrones de flujo obtenidos manteniendo la velocidad superficial de aceite constante Uso=002ms y variando la de agua Para Usw de 029ms (A) y 032ms (B) se aprecian burbujas de aceite grandes con forma de tapoacuten antecedidas y precedidas por burbujas de aceite de menor tamantildeo A medida que se

incrementa la velocidad superficial del agua pasando por 035ms (C) 038ms (D) y 041ms (E) se observa una mayor turbulencia provocando que aumente la frecuencia de aparicioacuten en los tapones llegando en algunos casos a chocar entre siacute lo que conlleva a su colapso y separacioacuten en gotas de aceite maacutes pequentildeas dando paso al patroacuten de flujo de gotas dispersas provocaacutendose asiacute la transicioacuten intermitente-gotas dispersas

(a) (b) Fig 6 (a) Transicioacuten dispersioacuten de aceite en agua a intermitente o tapoacuten Usw=024ms Uso (A) 002ms (B)

005ms (C) 008ms (D) 013ms y (E) 018ms (b) Transicioacuten intermitente anular Usw=024ms Uso (A) 023ms (B) 029ms (C) 034ms y (D) 039ms

(a) (b) Fig 7 (a) Patroacuten de flujo intermitente o tapoacuten Uso=002ms Usw (A) 010ms (B) 013ms (C) 016ms (D)

021ms y (E) 024ms (b) Transicioacuten intermitente dispersioacuten de aceite en agua Uso=002ms Usw (A) 029ms (B) 032ms (C) 035ms (D) 038ms y (E) 041ms

Todos los valores experimentales de patrones de flujo fueron graficados en funcioacuten de las velocidades superficiales de ambas fases obtenieacutendose el mapa de patrones presentado en la Fig 8(a) El intervalo de velocidades superficiales con que se trabajoacute corresponde a 002 ms lt Uso lt 039 ms y 016 ms lt Usw lt 072 ms Como se aprecia en la Fig 8 (b) hay zonas bien diferenciadas donde se ubican las regiones de patrones de flujo en la parte inferior el flujo tapoacuten en la regioacuten media la dispersioacuten de aceite en agua en la regioacuten superior la dispersioacuten muy fina

de aceite en agua y en la regioacuten inferior derecha el flujo anular El patroacuten de flujo maacutes observado fue el de dispersioacuten muy fina de aceite en agua seguido por el flujo tapoacuten y la dispersioacuten de aceite en agua El que menos se presentoacute fue el patroacuten de flujo anular por las condiciones de operacioacuten del equipo

En la Figura 9 (a) y (b) se muestra la retencioacuten de agua promedio obtenida para cada prueba experimental para inclinaciones d tuberiacutea de 45ordm y 90ordm en funcioacuten de los caudales de agua y aceite Tal y como se observa Hw aumenta con el caudal de agua y disminuye con el caudal de aceite En la misma Fig se muestra en liacuteneas continuas los valores arrojados por la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

( )

SOo w 1 4

w o 2M w2

w

UH 1 H

g1 2U 153 H

= minus =σ ρ minusρ⎡ ⎤

+ ⎢ ⎥ρ⎣ ⎦

(1)

01

1

001 01 1

Uso (ms)

Usw (ms)

PSCCVDFowCC-PSCT

01

1

00 01 10Uso (ms)

Usw (ms)

TapoacutenVFDowAnularAnular + VFDowDowTapoacuten-Dow

(a) (b)

Fig 8 Mapa de patrones de flujo para (a) 45ordm y (b) 90ordm de inclinacioacuten obtenido experimentalmente

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms exp

Uso 018ms exp

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms expUso 008ms expUso 018ms expUso 039ms exp

(a) (b)

Fig 9 Retencioacuten de la fase acuosa en funcioacuten de la velocidad superficial de agua para (a) 45ordm y (b) 90ordm Las liacuteneas continuas corresponden a la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

CONCLUSIONES

Para el flujo simultaacuteneo de agua y aceite de densidad 867 kgm3 y viscosidad 01310 Pas en una tuberiacutea vertical ascendente de 125 in de diaacutemetro interno se obtuvieron los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua pseudo patroacuten (PS) dispersioacuten de aceite en agua cocorriente (CC) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow)

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988

incrementa la velocidad superficial del agua pasando por 035ms (C) 038ms (D) y 041ms (E) se observa una mayor turbulencia provocando que aumente la frecuencia de aparicioacuten en los tapones llegando en algunos casos a chocar entre siacute lo que conlleva a su colapso y separacioacuten en gotas de aceite maacutes pequentildeas dando paso al patroacuten de flujo de gotas dispersas provocaacutendose asiacute la transicioacuten intermitente-gotas dispersas

(a) (b) Fig 6 (a) Transicioacuten dispersioacuten de aceite en agua a intermitente o tapoacuten Usw=024ms Uso (A) 002ms (B)

005ms (C) 008ms (D) 013ms y (E) 018ms (b) Transicioacuten intermitente anular Usw=024ms Uso (A) 023ms (B) 029ms (C) 034ms y (D) 039ms

(a) (b) Fig 7 (a) Patroacuten de flujo intermitente o tapoacuten Uso=002ms Usw (A) 010ms (B) 013ms (C) 016ms (D)

021ms y (E) 024ms (b) Transicioacuten intermitente dispersioacuten de aceite en agua Uso=002ms Usw (A) 029ms (B) 032ms (C) 035ms (D) 038ms y (E) 041ms

Todos los valores experimentales de patrones de flujo fueron graficados en funcioacuten de las velocidades superficiales de ambas fases obtenieacutendose el mapa de patrones presentado en la Fig 8(a) El intervalo de velocidades superficiales con que se trabajoacute corresponde a 002 ms lt Uso lt 039 ms y 016 ms lt Usw lt 072 ms Como se aprecia en la Fig 8 (b) hay zonas bien diferenciadas donde se ubican las regiones de patrones de flujo en la parte inferior el flujo tapoacuten en la regioacuten media la dispersioacuten de aceite en agua en la regioacuten superior la dispersioacuten muy fina

de aceite en agua y en la regioacuten inferior derecha el flujo anular El patroacuten de flujo maacutes observado fue el de dispersioacuten muy fina de aceite en agua seguido por el flujo tapoacuten y la dispersioacuten de aceite en agua El que menos se presentoacute fue el patroacuten de flujo anular por las condiciones de operacioacuten del equipo

En la Figura 9 (a) y (b) se muestra la retencioacuten de agua promedio obtenida para cada prueba experimental para inclinaciones d tuberiacutea de 45ordm y 90ordm en funcioacuten de los caudales de agua y aceite Tal y como se observa Hw aumenta con el caudal de agua y disminuye con el caudal de aceite En la misma Fig se muestra en liacuteneas continuas los valores arrojados por la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

( )

SOo w 1 4

w o 2M w2

w

UH 1 H

g1 2U 153 H

= minus =σ ρ minusρ⎡ ⎤

+ ⎢ ⎥ρ⎣ ⎦

(1)

01

1

001 01 1

Uso (ms)

Usw (ms)

PSCCVDFowCC-PSCT

01

1

00 01 10Uso (ms)

Usw (ms)

TapoacutenVFDowAnularAnular + VFDowDowTapoacuten-Dow

(a) (b)

Fig 8 Mapa de patrones de flujo para (a) 45ordm y (b) 90ordm de inclinacioacuten obtenido experimentalmente

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms exp

Uso 018ms exp

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms expUso 008ms expUso 018ms expUso 039ms exp

(a) (b)

Fig 9 Retencioacuten de la fase acuosa en funcioacuten de la velocidad superficial de agua para (a) 45ordm y (b) 90ordm Las liacuteneas continuas corresponden a la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

CONCLUSIONES

Para el flujo simultaacuteneo de agua y aceite de densidad 867 kgm3 y viscosidad 01310 Pas en una tuberiacutea vertical ascendente de 125 in de diaacutemetro interno se obtuvieron los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua pseudo patroacuten (PS) dispersioacuten de aceite en agua cocorriente (CC) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow)

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988

de aceite en agua y en la regioacuten inferior derecha el flujo anular El patroacuten de flujo maacutes observado fue el de dispersioacuten muy fina de aceite en agua seguido por el flujo tapoacuten y la dispersioacuten de aceite en agua El que menos se presentoacute fue el patroacuten de flujo anular por las condiciones de operacioacuten del equipo

En la Figura 9 (a) y (b) se muestra la retencioacuten de agua promedio obtenida para cada prueba experimental para inclinaciones d tuberiacutea de 45ordm y 90ordm en funcioacuten de los caudales de agua y aceite Tal y como se observa Hw aumenta con el caudal de agua y disminuye con el caudal de aceite En la misma Fig se muestra en liacuteneas continuas los valores arrojados por la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

( )

SOo w 1 4

w o 2M w2

w

UH 1 H

g1 2U 153 H

= minus =σ ρ minusρ⎡ ⎤

+ ⎢ ⎥ρ⎣ ⎦

(1)

01

1

001 01 1

Uso (ms)

Usw (ms)

PSCCVDFowCC-PSCT

01

1

00 01 10Uso (ms)

Usw (ms)

TapoacutenVFDowAnularAnular + VFDowDowTapoacuten-Dow

(a) (b)

Fig 8 Mapa de patrones de flujo para (a) 45ordm y (b) 90ordm de inclinacioacuten obtenido experimentalmente

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms exp

Uso 018ms exp

04

06

08

1

00 02 04 06 08

Usw (ms)

Hw

Uso 002ms expUso 008ms expUso 018ms expUso 039ms exp

(a) (b)

Fig 9 Retencioacuten de la fase acuosa en funcioacuten de la velocidad superficial de agua para (a) 45ordm y (b) 90ordm Las liacuteneas continuas corresponden a la relacioacuten de Hasan y Kabir [11]

CONCLUSIONES

Para el flujo simultaacuteneo de agua y aceite de densidad 867 kgm3 y viscosidad 01310 Pas en una tuberiacutea vertical ascendente de 125 in de diaacutemetro interno se obtuvieron los patrones de flujo dispersioacuten de aceite en agua pseudo patroacuten (PS) dispersioacuten de aceite en agua cocorriente (CC) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow)

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988

transicioacuten entre flujo CC y PS y dispersioacuten de aceite en agua contracorriente (CT) para 45ordm para el caso de 90ordm los patrones de flujo observados fueron intermitente dispersioacuten de aceite en agua (D ow) dispersioacuten muy fina de aceite en agua (VFD ow) y anular En todos los casos se observoacute que las transiciones entre patrones son suaves y continuas

El holdup de agua obtenido experimentalmente aumenta a medida que aumenta Usw y disminuye Uso La correlacioacuten de Hasan y Kabir [11] predijo los valores de retencioacuten medidos con un error promedio de 6

NOMENCLATURA

H Retencioacuten (-) U Velocidad superficial (ms) ρ Densidad (kgm3) micro Viscosidad (Pas) σ Tensioacuten interfacial (Nm) Subiacutendices m Referido a la mezcla so Superficial de aceite sw Superficial de agua o Referido a la fase oleosa w Referido a la fase acuosa

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al FONACIT (Proyecto 97003788) por el financiamiento de los equipos y el sistema experimental empleado

REFERENCIAS

[1] Oronel C ldquoEstudio Experimental del Flujo Bifaacutesico Liacutequido-Liacutequido en Tuberiacuteas Horizontales y Ligeramente Inclinadasrdquo Anteproyecto de Maestriacutea Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2005

[2] Russell T W Hodgson G W y Govier G W ldquoHorizontal Pipeline Flow Mixtures of Oil and Waterrdquo Can J Chem Eng 37 9-17 1959

[3] Govier G W G A Sullivan y RK Wood ldquoThe Upward Vertical Flow of Oil-Water Mixturesrdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 67-72 1961

[4] Zavareh F Shoham O y Brill J P ldquoA Comprehensive Mechanistic Model for Two-Phase Flor in Pipelinesrdquo SPE 63deg Annual Technical Conference and Exhibition paper SPE 20631 New Orleans 1990

[5] Flores J G X T Chem y J P Brill ldquoCharacterization of Oil-Water Flow Pattern in Vertical and Deviated Wellsrdquo en SPE Paper 38810 SPE Proceedings Annual Technical Conference and Exhibition 1 601-610 1997

[6] Bannwart A Rodriacuteguez O y Carvalho C ldquoFlow Patterns in Heavy Crude Oil-Water Flowrdquo Journal of Energy Resources Technology Vol 126 184-189 2004

[7] Charles ME G W Govier y G W Hodson ldquoThe horizontal pipeline flow of equal density oil-water mixturerdquo The Canadian Journal of Chemical Engineering 39 27-361961

[8] Trallero J L ldquoOil-Water Flow Patterns in Horizontal Pipesrdquo PhD Thesis The University of Tulsa 1995 [9] Trallero J L Sarica C y Brill J P ldquoA Study of Oil-Water Flow Patterns in Horizontal Ppipesrdquo SPE Annual

Technical Conference and Exhibition paper SPE 36609 Denver Colorado Octubre 6-9 1996 [10] Romero C ldquoEstudio de Patrones de Flujo Bifaacutesico liacutequido-gas en tuberiacuteas inclinadas de 0ordm a 90ordm Trabajo de

Grado en la Maestriacutea de Ingenieriacutea Quiacutemica (a ser presentada en marzo 2007) Universidad Simoacuten Boliacutevar Caracas 2007

[11] Hasan A R y Kabir C S ldquoA new Model for Two-Phase Oil-Watern Flow Production Log Interpretation and Tubular calculationsrdquo Proceeding Annual Technical Conference and Exhibition 3 369-376 1988